Что такое инфракрасная техника?
Инфракрасная техника представляет собой важный раздел прикладной физики и инженерии. Она занимается созданием и использованием устройств, работающих на основе инфракрасного (ИК) излучения, в научных исследованиях, промышленности и военной сфере. Это излучение занимает обширный диапазон в электромагнитном спектре — от красной границы видимого света (примерно 0,74 микрометра) до коротковолнового радиоизлучения (1–2 миллиметра).
Информация в невидимом свете
Оказалось, что невидимое человеческому глазу инфракрасное, или «тепловое», излучение несёт в себе богатую информацию о свойствах различных объектов. Задача инфракрасной техники — научиться считывать и использовать эту информацию. Для этого создаются приборы, которые могут обнаруживать ИК-излучение, наблюдать и фотографировать объекты в его лучах, а также целенаправленно воздействовать на вещества для придания им нужных свойств.
Особенности прохождения ИК-лучей
Прозрачность материалов для инфракрасного излучения часто кардинально отличается от их прозрачности для видимого света. Например, слой воды в несколько сантиметров прозрачен для света, но становится практически непроницаемым для ИК-лучей с длиной волны более 1 мкм, что позволяет использовать её в качестве теплозащитного экрана. И наоборот, чёрная бумага хорошо пропускает волны в диапазоне 50–2000 мкм. Полиэтилен прозрачен для лучей длиннее 100 мкм, а кварц — только в узком интервале от 100 до 1000 мкм. На основе таких материалов с «избирательной» прозрачностью изготавливают фильтры для выделения нужных участков ИК-спектра, что критически важно, например, для инфракрасной фотографии.
Инфракрасная фотография и её применение
Самый простой метод — съёмка на специальную фотоплёнку, чувствительную к инфракрасному излучению. На объектив при этом устанавливается светофильтр, который блокирует видимый свет, но пропускает ИК-лучи. Эта технология широко применяется в металлургии и машиностроении для дефектоскопии — обнаружения скрытых изъянов в изделиях. Разные по плотности участки металла излучают тепло неодинаково, поэтому внутренние трещины или раковины на инфракрасном снимке будут видны как тёмные пятна на более ярком фоне.
Приборы для наблюдения в ИК-диапазоне
Для наблюдения за слабоизлучающими или удалёнными объектами, от которых доходит лишь малая часть ИК-излучения, используются более сложные устройства.
Электронно-оптический преобразователь (ЭОП)
Этот прибор преобразует невидимое инфракрасное изображение в видимое и одновременно усиливает его яркость. В простейшем варианте ЭОП представляет собой вакуумную стеклянную колбу. На одном её конце находится полупрозрачный фотокатод (см. фотоэлемент), а напротив — люминесцентный экран. ИК-изображение проецируется на фотокатод, который под его действием испускает электроны. Эти электроны разгоняются высоким напряжением и бомбардируют экран, заставляя его светиться. Интенсивность свечения каждой точки экрана соответствует яркости исходного ИК-излучения, создавая видимое изображение, которое можно сфотографировать.
Инфракрасный видикон
Этот прибор не только преобразует ИК-изображение, но и позволяет передавать его по телевизионным каналам. Экран его передающей трубки (см. телевидение) сделан из фотополупроводников, чувствительных к инфракрасному излучению. Ток в каждом элементе меняется в зависимости от интенсивности падающих ИК-лучей. Электронный луч «считывает» это распределение токов, преобразуя его в электрический сигнал для дальнейшей передачи.
Широкие возможности применения
Поскольку все нагретые тела, растения и живые организмы постоянно испускают инфракрасные лучи, ИК-техника позволяет вести наблюдения в любое время суток, в том числе в полной темноте. На этом принципе основана работа приборов ночного видения, средств ночной фото- и видеосъёмки, систем скрытой сигнализации, а также некоторых видов наземной и космической связи.
Сфера применения инфракрасной техники чрезвычайно широка. С её помощью можно создавать температурные карты человеческого тела для медицинской диагностики. ИК-спектроскопия помогает учёным исследовать строение сложных органических молекул. Мощное излучение инфракрасных ламп используется в технологических процессах для быстрой сушки, например, лакокрасочных покрытий на автомобильных кузовах, или для обогрева молодняка животных на фермах.